耗能减震层对框架_核心筒结构的减震效果及其影响分析
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阻尼器参数的选取很大程度上取决于支撑刚度 的大小。如果选用刚度很大的支撑会对连接的梁柱 内力产生较大影响; 如果选用的支撑刚度较小, 阻尼 器又不能产生很好的效果, 因此根据梁柱截面实际 情况选取支撑为 H400 ! 300 ! 12 ! 20 的型钢。根据 建筑抗震设计规范[ 13] ( GB50011 2001) 进行试算定义 金属 阻 尼 器的 参 数 为 刚 度 500kN mm, 屈 服 强 度 250kN mm, 屈服后刚度比为 0 05, 屈服指数为 2。根 据结构基本周期确定粘弹性阻尼器的刚度和阻尼系 数分别为 300kN mm 和 120kN∀s mm, 确定粘滞阻尼
工程抗震与加固改造
2008 年 2 月
技术保证。 本文通过一算例采用 Etabs 软件对比分析了加
强层和 3 种不同耗能减震层对框架 核心筒结构的 减震效果, 对带单个粘滞耗能减震层的最佳布置位 置进行了研究, 并分析了粘滞环带耗能构件对结构 性能的影响, 得出了一些有益的结论。 2 计算模型及阻尼器参数
比较以下不同结构体系的地震反应: ( 1) 框架 核心筒体系( 简称抗震体系 A) : 40 层 普通钢筋混凝土框架 核心筒结构。 ( 2) 带加强层的框架 核心筒体系( 简称抗震体 系 B) : 在抗震体系 A 的基础上, 在结构第 20、40 层 的外围框架柱和核心筒之间设置伸臂支撑形成带加 强层的结构。考虑结构的对称性, 支撑仅布置在轴 线 # 、∃上, 其截面尺寸为 H400 ! 300 ! 12 ! 20, 布 置方式如图 2 所示。 ( 3) 带耗能减震层的框架 核心筒体系( 简称抗 震体系 C) : 将抗震体系 B 中的加强层楼层的伸臂支 撑用水平放置的阻尼器和人字形支撑构成的耗能支 撑代替形成耗能减震层, 每层 8 个阻尼器, 共 16 个 阻尼器。对采用粘弹性阻尼器、金属阻尼器和粘滞 阻尼器的结构分别称为 C1、C2、C3 体系。其支撑构 件采用和体系 B 中相同截面的型钢。
邓雪松, 等: 耗能减震层对框架 核 心筒结构的减震效果及其影响分析
表 1 各抗震体系前 3 阶振型周期 ( 单位: s)
抗震体系
A
B
C1
C2
C3
1 3 69 3 65 3 67 3 67 3 69 模态 2 3 69 3 43 3 57 3 55 3 69
3 2 44 2 44 2 44 2 44 2 44
图 2 # 、∃轴线支撑布置立面图
采用反应谱法和时程分析法分别计算在多遇地 震作用下上述几种不同抗震体系的地震反应。由于 结构沿 X 轴和 Y 轴对称分布, 故仅计算 X 方向地震 作用, 结构阻尼比取 5% , 场地特征周期 T g = 0 35s, 考虑 7 度设防, 将 地震 波最 大峰值 加速 度调 整为 35gal。 3 1 模态分析与反应谱分析 3 1 1 周期对比
鉴于带加强层的高层建筑结构对于抗震有诸多
[ 收稿日期] [ 基金项目]
2007 09 07 国家科技部重大基础研究前期研究专项项目( 项 目 编号: 2004CCA03300) 广州 市 科 技 攻 关 重 大 项 目 ( 项 目 编 号: 2004Z1 E0051)
不利因素, 周云、丁鲲提出把耗能减震技术应用于框 架 核心筒结构, 即将加强层桁架中的刚性支撑用耗 能部件( 支撑+ 阻尼器) 代替, 形成耗能减震层。在 地震作用下带有耗能减震层的结构主要通过阻尼器 来耗散地震输入到结构中的能量, 以减轻结构的动 力反应, 从而更好地保护主体结构的安全[ 2, 3] 。从形 式上讲, 耗能减震层利用原来加强层所处的设备层 或避难层的位置, 只是对加强层的替代, 不占用建筑 的使用空间, 对建筑功能不产生任何影响。从理论 上讲, 耗能减震层是通过 柔性耗能 的途径减少地 震作用, 在结构出现变形的时候, 耗能减震层中的阻 尼器迅速消耗大量地震能量, 保护主体结构在地震 中的安全。
邓雪松, 丁 鲲, 周 云( 广州大学土 木工程学院, 广东 广州 510006)
[ 摘 要] 本文分析了加强层和 3 种不同耗能减震层对框 架 核心筒结 构的减震效 果, 以 顶点位移为 目标对 单个粘 滞耗能 减 震层的最佳布置位置进行了研究, 并分析了粘 滞环带耗能构件对结构性能的影响。 分析结果表 明, 耗 能减震层 比加强层更 能 有效地控制 结构的地震反应; 单个耗能减震层宜布置在 结构的 中部 0 5H~ 0 6H 处; 粘滞环 带耗能构 件能有 效减小 结构的 位 移和内力。 [ 关键词] 框架 核心筒结构; 加强层; 耗能减震层; 环带耗能构 件
图 1 计算模型标准层平面图
在 Etabs 软件中对金属阻尼器可采用 Plastic1 单 元进行模拟, 该塑性模型单元是基于由 Wen 提出的 滞回特征建立的。对粘弹性和 粘滞阻尼器可 采用 Damper 单元来模拟, 该单元 是基于 Maxwell 的 粘弹பைடு நூலகம்性模型所建立, 如果要用此单元来模拟纯粘滞阻尼 器, 可以将刚度设置为 大值, 以 此来忽略弹簧 的效 果, 但是过大的值也会引起求解困难, 建议使用 102 ~ 104 倍的 k 值[ 12] 。
1 前言 在框架 核心筒结构中, 水平荷载产生的倾覆力
矩主要由核心筒来承担, 这样结构的位移呈弯曲形, 顶点位移较大。因此, 目前的高层和超高层建筑中 经常采用加强层这种形式来控制结构的侧向位移。 但是加强层的设置使结构刚度产生了突变, 在地震 作用下其必然导致结构内力突变以及整体结构传力 途径的改变, 从而使结构的破坏较容易集中在加强 层附近, 形成薄弱层, 且结构的 损坏机理难以 呈现 强柱弱梁 和 强剪弱弯 的延性屈服机制[ 1] 。
图 4 楼层位 移对比
各抗震体系的楼层剪力和弯矩变化如图 5、图 6 所示, 各抗震体系结构的底部剪力和底部弯矩数值 见表 3。从图中可以看出, 采用粘滞和粘弹性耗能 减震层的抗震体系 C1 和 C3 的底部剪力和弯矩均小 于普通结构, 且粘滞阻尼器比粘弹性阻尼器的控制 效果好, 其底部 剪力和 弯矩 分别仅 为普 通结 构的 84% 和 85% 。而采用加 强层和金属耗 能减震层的 抗震体系 B 和 C2 的底部剪力和弯矩均比普通结构 大, 其原因是这两种抗震体系在增加结构刚度的同 时也增加了结构的地震作用。
结构的模态分析选取了 18 个振型, 使其各自由 度方面的振型质量参与系数均超过 90% , 振型组合 采用 CQC 法。各抗震体系的前 3 阶周期如表 1 所 示。
Earthquake Resistant Engineering and Retrofitting February 2008
第 30 卷第 1 期
∀3∀
从表 1 中可以看出, 由于加强层的设置增加了 结构的刚度, 使抗震体系 B 的周期比普通结构小。 对于采用耗能减震层形式的抗震体系 C, 由于金属 阻尼器和粘弹性阻尼器也附加给结构一定的刚度, 所以抗震体系 C1 和 C2 的周期也比普通结构的周期 略有减小, 但其减小幅度较抗震体系 B 少。由于粘 滞阻尼器仅附加结构阻尼, 不给结构附加刚度, 因此 抗震体系 C3 的周期与普通结构相同。 3 1 2 结构整体抗震性能对比
计算模型为 40 层的钢筋混凝土框架 核心筒结 构, 结构标准层平面布置如图 1, 楼层层高 3 3m, 建 筑总高度为 132m。结构主要构件的尺寸和材料强 度等级见文献[ 2] 。
器的粘滞阻尼系数为 100kN∀s mm, 采用线性粘滞阻 尼器, 其阻尼指数为 1。 3 加强层和 3 种不同耗能减震层减震效果分析
通过反应谱分析得到各类抗震体系的层间位移 角和楼层位移分别如图 3、图 4 所示, 各结构顶点位 移数值列于表 2。从图 3、图 4 及表 2 中可以看出结 构的位移从小到大依次为 C3、B、C1、C2、A, 即采用 粘滞耗能减震层的结构对位移的控制效果最好, 其 顶点位移仅为普通结构的 84 2% , 加 强层次之, 然 后是粘弹性耗能减震层和金属耗能减震层。由于加 强层、粘弹性阻尼器和金属阻尼器附加给结构较大 刚度, 所以位移角在此层出现较为明显的突变现象, 但是粘弹性和金属耗能减震层结构位移角的突变小 于加强层结构的突变。
图 3 层间 位移角对比
表 2 各抗震体 系顶点位移对比
抗震体系 顶点位移( mm)
百分比( % )
A 81 49 100
B 72 92 89 5
C1 73 77 90 5
C2 76 57 94 0
C3 68 63 84 2
Earthquake Resistant Engineering and Retrofitting Vol. 30, No. 1 2008
Abstract: Seismic effect of frame tube structure with strengthened story and three different seismic energy dissipation stories is analyzed. Optimal location of single viscous seismic energy dissipation story is studied in the purpose of minimizing peak displacement. The influence of viscous energy dissipation belts on structure performance is analyzed too. It is result that seismic energy dissipation story can control seismic responses better than strengthened story. Single seismic energy dissipation story should place in the middle part of structure. And viscous energy dissipation belts can effectively reduce displacement and internal forces of structure. Keywords: frame tube structure; strengthened story; seismic energy dissipation story; energy dissipation belts
耗能减震技术经过 30 多年的发展取得了大量 的研究成果和较丰富的工程实践经验, 并逐步走向 实用化[ 4~ 11] , 它们为耗能减震层概念的实现提供了
Earthquake Resistant Engineering and Retrofitting Vol. 30, No. 1 2008
∀ 2∀
第 30 卷第 1 期 2008 年 2 月
工程抗震与加固改造 Earthquake Resistant Engineering and Retrofitting
[ 文章编号] 1002 8412( 2008) 01 0001 08
Vol. 30, No 1 Feb. 2008
耗能减震层对框架 核心筒结构的减震效果 及其影响分析
图 5 楼层剪 力对比 图 6 楼层 弯矩对比
∀ 4∀
工程抗震与加固改造
2008 年 2 月
抗震体系 底部剪力( kN) 底部弯矩( kN∀mm)
[ 中图分类号] TU352 1
[ 文献标识码] A
Analysis of Seismic Effect and Influence on Frame tube Structure with Seismic Energy dissipation Story
Deng Xue song , Ding Kun, Zhou Yun( School of Civil Engineering , Guangzhou University , Guangz hou 510006, China)
工程抗震与加固改造
2008 年 2 月
技术保证。 本文通过一算例采用 Etabs 软件对比分析了加
强层和 3 种不同耗能减震层对框架 核心筒结构的 减震效果, 对带单个粘滞耗能减震层的最佳布置位 置进行了研究, 并分析了粘滞环带耗能构件对结构 性能的影响, 得出了一些有益的结论。 2 计算模型及阻尼器参数
比较以下不同结构体系的地震反应: ( 1) 框架 核心筒体系( 简称抗震体系 A) : 40 层 普通钢筋混凝土框架 核心筒结构。 ( 2) 带加强层的框架 核心筒体系( 简称抗震体 系 B) : 在抗震体系 A 的基础上, 在结构第 20、40 层 的外围框架柱和核心筒之间设置伸臂支撑形成带加 强层的结构。考虑结构的对称性, 支撑仅布置在轴 线 # 、∃上, 其截面尺寸为 H400 ! 300 ! 12 ! 20, 布 置方式如图 2 所示。 ( 3) 带耗能减震层的框架 核心筒体系( 简称抗 震体系 C) : 将抗震体系 B 中的加强层楼层的伸臂支 撑用水平放置的阻尼器和人字形支撑构成的耗能支 撑代替形成耗能减震层, 每层 8 个阻尼器, 共 16 个 阻尼器。对采用粘弹性阻尼器、金属阻尼器和粘滞 阻尼器的结构分别称为 C1、C2、C3 体系。其支撑构 件采用和体系 B 中相同截面的型钢。
邓雪松, 等: 耗能减震层对框架 核 心筒结构的减震效果及其影响分析
表 1 各抗震体系前 3 阶振型周期 ( 单位: s)
抗震体系
A
B
C1
C2
C3
1 3 69 3 65 3 67 3 67 3 69 模态 2 3 69 3 43 3 57 3 55 3 69
3 2 44 2 44 2 44 2 44 2 44
图 2 # 、∃轴线支撑布置立面图
采用反应谱法和时程分析法分别计算在多遇地 震作用下上述几种不同抗震体系的地震反应。由于 结构沿 X 轴和 Y 轴对称分布, 故仅计算 X 方向地震 作用, 结构阻尼比取 5% , 场地特征周期 T g = 0 35s, 考虑 7 度设防, 将 地震 波最 大峰值 加速 度调 整为 35gal。 3 1 模态分析与反应谱分析 3 1 1 周期对比
鉴于带加强层的高层建筑结构对于抗震有诸多
[ 收稿日期] [ 基金项目]
2007 09 07 国家科技部重大基础研究前期研究专项项目( 项 目 编号: 2004CCA03300) 广州 市 科 技 攻 关 重 大 项 目 ( 项 目 编 号: 2004Z1 E0051)
不利因素, 周云、丁鲲提出把耗能减震技术应用于框 架 核心筒结构, 即将加强层桁架中的刚性支撑用耗 能部件( 支撑+ 阻尼器) 代替, 形成耗能减震层。在 地震作用下带有耗能减震层的结构主要通过阻尼器 来耗散地震输入到结构中的能量, 以减轻结构的动 力反应, 从而更好地保护主体结构的安全[ 2, 3] 。从形 式上讲, 耗能减震层利用原来加强层所处的设备层 或避难层的位置, 只是对加强层的替代, 不占用建筑 的使用空间, 对建筑功能不产生任何影响。从理论 上讲, 耗能减震层是通过 柔性耗能 的途径减少地 震作用, 在结构出现变形的时候, 耗能减震层中的阻 尼器迅速消耗大量地震能量, 保护主体结构在地震 中的安全。
邓雪松, 丁 鲲, 周 云( 广州大学土 木工程学院, 广东 广州 510006)
[ 摘 要] 本文分析了加强层和 3 种不同耗能减震层对框 架 核心筒结 构的减震效 果, 以 顶点位移为 目标对 单个粘 滞耗能 减 震层的最佳布置位置进行了研究, 并分析了粘 滞环带耗能构件对结构性能的影响。 分析结果表 明, 耗 能减震层 比加强层更 能 有效地控制 结构的地震反应; 单个耗能减震层宜布置在 结构的 中部 0 5H~ 0 6H 处; 粘滞环 带耗能构 件能有 效减小 结构的 位 移和内力。 [ 关键词] 框架 核心筒结构; 加强层; 耗能减震层; 环带耗能构 件
图 1 计算模型标准层平面图
在 Etabs 软件中对金属阻尼器可采用 Plastic1 单 元进行模拟, 该塑性模型单元是基于由 Wen 提出的 滞回特征建立的。对粘弹性和 粘滞阻尼器可 采用 Damper 单元来模拟, 该单元 是基于 Maxwell 的 粘弹பைடு நூலகம்性模型所建立, 如果要用此单元来模拟纯粘滞阻尼 器, 可以将刚度设置为 大值, 以 此来忽略弹簧 的效 果, 但是过大的值也会引起求解困难, 建议使用 102 ~ 104 倍的 k 值[ 12] 。
1 前言 在框架 核心筒结构中, 水平荷载产生的倾覆力
矩主要由核心筒来承担, 这样结构的位移呈弯曲形, 顶点位移较大。因此, 目前的高层和超高层建筑中 经常采用加强层这种形式来控制结构的侧向位移。 但是加强层的设置使结构刚度产生了突变, 在地震 作用下其必然导致结构内力突变以及整体结构传力 途径的改变, 从而使结构的破坏较容易集中在加强 层附近, 形成薄弱层, 且结构的 损坏机理难以 呈现 强柱弱梁 和 强剪弱弯 的延性屈服机制[ 1] 。
图 4 楼层位 移对比
各抗震体系的楼层剪力和弯矩变化如图 5、图 6 所示, 各抗震体系结构的底部剪力和底部弯矩数值 见表 3。从图中可以看出, 采用粘滞和粘弹性耗能 减震层的抗震体系 C1 和 C3 的底部剪力和弯矩均小 于普通结构, 且粘滞阻尼器比粘弹性阻尼器的控制 效果好, 其底部 剪力和 弯矩 分别仅 为普 通结 构的 84% 和 85% 。而采用加 强层和金属耗 能减震层的 抗震体系 B 和 C2 的底部剪力和弯矩均比普通结构 大, 其原因是这两种抗震体系在增加结构刚度的同 时也增加了结构的地震作用。
结构的模态分析选取了 18 个振型, 使其各自由 度方面的振型质量参与系数均超过 90% , 振型组合 采用 CQC 法。各抗震体系的前 3 阶周期如表 1 所 示。
Earthquake Resistant Engineering and Retrofitting February 2008
第 30 卷第 1 期
∀3∀
从表 1 中可以看出, 由于加强层的设置增加了 结构的刚度, 使抗震体系 B 的周期比普通结构小。 对于采用耗能减震层形式的抗震体系 C, 由于金属 阻尼器和粘弹性阻尼器也附加给结构一定的刚度, 所以抗震体系 C1 和 C2 的周期也比普通结构的周期 略有减小, 但其减小幅度较抗震体系 B 少。由于粘 滞阻尼器仅附加结构阻尼, 不给结构附加刚度, 因此 抗震体系 C3 的周期与普通结构相同。 3 1 2 结构整体抗震性能对比
计算模型为 40 层的钢筋混凝土框架 核心筒结 构, 结构标准层平面布置如图 1, 楼层层高 3 3m, 建 筑总高度为 132m。结构主要构件的尺寸和材料强 度等级见文献[ 2] 。
器的粘滞阻尼系数为 100kN∀s mm, 采用线性粘滞阻 尼器, 其阻尼指数为 1。 3 加强层和 3 种不同耗能减震层减震效果分析
通过反应谱分析得到各类抗震体系的层间位移 角和楼层位移分别如图 3、图 4 所示, 各结构顶点位 移数值列于表 2。从图 3、图 4 及表 2 中可以看出结 构的位移从小到大依次为 C3、B、C1、C2、A, 即采用 粘滞耗能减震层的结构对位移的控制效果最好, 其 顶点位移仅为普通结构的 84 2% , 加 强层次之, 然 后是粘弹性耗能减震层和金属耗能减震层。由于加 强层、粘弹性阻尼器和金属阻尼器附加给结构较大 刚度, 所以位移角在此层出现较为明显的突变现象, 但是粘弹性和金属耗能减震层结构位移角的突变小 于加强层结构的突变。
图 3 层间 位移角对比
表 2 各抗震体 系顶点位移对比
抗震体系 顶点位移( mm)
百分比( % )
A 81 49 100
B 72 92 89 5
C1 73 77 90 5
C2 76 57 94 0
C3 68 63 84 2
Earthquake Resistant Engineering and Retrofitting Vol. 30, No. 1 2008
Abstract: Seismic effect of frame tube structure with strengthened story and three different seismic energy dissipation stories is analyzed. Optimal location of single viscous seismic energy dissipation story is studied in the purpose of minimizing peak displacement. The influence of viscous energy dissipation belts on structure performance is analyzed too. It is result that seismic energy dissipation story can control seismic responses better than strengthened story. Single seismic energy dissipation story should place in the middle part of structure. And viscous energy dissipation belts can effectively reduce displacement and internal forces of structure. Keywords: frame tube structure; strengthened story; seismic energy dissipation story; energy dissipation belts
耗能减震技术经过 30 多年的发展取得了大量 的研究成果和较丰富的工程实践经验, 并逐步走向 实用化[ 4~ 11] , 它们为耗能减震层概念的实现提供了
Earthquake Resistant Engineering and Retrofitting Vol. 30, No. 1 2008
∀ 2∀
第 30 卷第 1 期 2008 年 2 月
工程抗震与加固改造 Earthquake Resistant Engineering and Retrofitting
[ 文章编号] 1002 8412( 2008) 01 0001 08
Vol. 30, No 1 Feb. 2008
耗能减震层对框架 核心筒结构的减震效果 及其影响分析
图 5 楼层剪 力对比 图 6 楼层 弯矩对比
∀ 4∀
工程抗震与加固改造
2008 年 2 月
抗震体系 底部剪力( kN) 底部弯矩( kN∀mm)
[ 中图分类号] TU352 1
[ 文献标识码] A
Analysis of Seismic Effect and Influence on Frame tube Structure with Seismic Energy dissipation Story
Deng Xue song , Ding Kun, Zhou Yun( School of Civil Engineering , Guangzhou University , Guangz hou 510006, China)